KR20090045483A - 납축전지의 전해액 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 납축전지의 전해액 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해액에 황산나트륨을 첨가하므로써 납축전지의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있는 납축전지의 전해액 조성물에 관한 것이다.

납축전지, 과방전, 전해액 첨가제, 격리판, 수명

Description

납축전지의 전해액 조성물{COMPOSITION OF ELECTROLYTE OF LEAD STORAGE BATTERY}

본 발명은 납축전지의 전해액 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해액에 황산나트륨을 첨가하므로써 납축전지의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있는 납축전지의 전해액 조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 전지는 전기적 에너지를 화학 에너지로 저장했다가 다시 전기적 에너지로 변환시켜 전기적인 일을 행할 수 있는 장치로서, 축전지로서 가장 오랜 역사를 가지고 있는 납축전지는 시대의 변천과 더불어 많이 개량되어 왔고, 자동차용, 비상전원용 및 전력부하 평준화를 위한 전력저장용 등의 광범위한 범위에 사용되며, 현재에도 2차전지의 총생산량에 약 90%를 점유하고 있다.

납축전지는 양극판(PbO₂), 음극판(Pb), 그리고 이들을 분리시켜주는 격리판과 전해질로 구성되어 있다.

각 극판은 기판과 활물질로 이루어져 있으며, 기판은 Pb-Ca이 주로 사용되고, 각 극판의 활물질은 전극의 표면적을 크게 하기 위하여 다공성이 큰 구조를 갖 도록 제조된다. 양극 활물질은 이산화납(PbO₂)이며, 음극 활물질은 해면상의 납(Pb)으로서, 이들이 전해질인 묽은 황산(H₂SO₄)과 반응하여 방전되면, 양극에서는 이산화납이 환원되고, 음극에서는 금속납이 산화되어 두 전극 모두 황산납(PbSO₄)을 생성하게 된다.

이를 반응식으로 나타내면 다음과 같다.

양극에서는

PbO₂ + 4H⁺ → Pb^{4 +} + 2H₂O (1)

Pb^{4 +} + 2e- → Pb^{2 +} (2)

Pb^{2 +} + SO₄ ^{2 -} → PbSO₄ (3)

음극에서는

Pb + SO₄ ^{2 -} → PbSO₄ + 2e- (4)

전해액에서는

2H₂SO₄ → 4H⁺ + 2SO₄ ^{2 -} (5)

전체에서는

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → PbSO₄ + 2H₂O (6)

식(6)에서 볼 수 있는 바와 같이, 전해액인 황산용액이 방전에 참여하여 소 모되어 물이 되므로, 전해액도 반응 활물질로서 납축전지의 중요한 설계 요인으로서 작용한다.

식(2), (3)에서 볼 수 있는 바와 같이, 전지의 방전에 의해 Pb^{2 +} 이온이 발생되며, 반응에 전해액량이 적으면 Pb^{2 +} 이온이 다공성인 격리판에 침투하여 관통 숏트를 일으켜서 수명이 종료되는 현상이 발생된다.

또한, 이러한 현상은 전기에너지를 활물질에 충전하는 초충전 공정에서 발생할 수 있는데, 초충전을 실시하기 전의 양극 활물질은 주로 4PbOㆍPbSO₄이며, 충전후 이산화납(PbO₂)으로 된다. 이때 전해액을 주입후 반응시간이 길어지면 Pb^{2 +} 이온이 생성되어 역시 격리판 관통 숏트에 의한 수명 종료현상이 발생된다.

이러한 현상을 방지하기 위하여 종래에는 황산염 발생을 억제하기 위하여, 펄스 충격으로 황산염만 극판으로부터 분리하거나 양극 및 음극 활물질비와 황산량의 최적 비율로 설계하여 적용하여 왔다.

그러나 최근 축전지의 경량화 및 소형화가 진행되면서 과도한 셀 압력에 노출되고, 차량의 유선형화에 의해 납축전지의 제품높이가 낮아지고 있으며, 자동차용 전지의 악세사리 등의 증대로 인하여 납축전지는 방전모드에 노출되는 경향이 자주 발생하여, 사용중 과방전 현상에 노출되는 경우 격리판 관통 쇼트에 의해 수명종료가 발생되었다. 이러한 현상을 개선하기 위한 방법으로 전해액에 Pb^{2 +} 이온과 결합이 잘되는 첨가제를 추가함으로써 납축전지의 성능 및 수명을 개선하는 기술이 필요하였다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 납축전지 초충전시 장기간 소킹(Soaking)하거나 충방전중 과방전되어 비중이 낮아졌을 경우에 발생되는 Pb^{2 +} 이온이 격리판 사이로 침투되어 관통 숏트를 발생시켜서 충전이 되지 않아서 수명이 종료되는 현상을 방지하기 위해서, 초충전중 공급되는 전해액에 첨가제로서 황산나트륨을 첨가하여 성능과 수명이 향상된 납축전지의 전해액 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 납축전지의 전해액 조성물은 종래의 전해액에 황산나트륨(Na₂SO₄)이 첨가된 것을 특징으로 하며, 황산나트륨을 전해액에 혼합하는 방법은 특별히 제한이 없고, 전해액에 첨가제를 혼합하는 공지의 방법들을 이용할 수 있다.

본 발명에서 첨가제로서 사용되는 황산나트륨은 종래의 황산과 물로 이루어진 전해액 1리터당 10~30g 사용되는 것이 바람직한데, 사용량이 10g 미만인 경우에는 배터리 사용시 발생되는 Pb^{2 +} 이온과 충분히 반응하지 못하여 수명 증대 효과가 미미하며, 30g을 초과하는 경우에는 발생되는 Pb^{2 +} 이온과 과다하게 반응하여 용량 저하에 영향을 주기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명에 따라 제조된 납축전지의 전해액 조성물은 첨가된 Na₂SO₄가 납축전지 사용중 발생되는 전해액중의 Pb^{2 +} 이온과 반응하여 Pb^{2 +} 이온이 격리판을 관통함에 따른 쇼트를 방지하므로써 수명을 연장시키는 효과가 있다.

본 발명에서 전해액이란 납축전지에 통상적으로 사용되고 있는 전해액을 의미하며, 예로서 황산과 물로 이루어진 전해액을 들 수 있다. 구체적으로는, 황산 30~40중량%와 물 60~70중량%로 이루어진 전해액을 사용할 수 있다.

본 발명은 하기 실시예 및 실험예에 의하여 보다 구체적으로 이해될 수 있고, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 지나지 않으며 본 발명의 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예

본 발명에 따른 황산나트륨이 첨가된 전해액 조성물(H₂SO₄ 37.4중량%와 물 62.6중량%로 이루어진 종래의 납축전지용 전해액 1리터당 20g의 황산나트륨을 첨가한 전해액 조성물)을 사용한 납축전지를 실시예로 하고, 종래의 전해액(H₂SO₄ 37.4중량% + H₂O 62.6중량%)을 사용한 납축전지를 비교예로 하여, 수명시험을 진행시켜 다음과 같은 결과를 얻었다.

충방전 회수	30초 전압
	비교예	실시예
480	9.53	9.00
960	9.38	8.62
1,440	9.30	8.26
1,920	9.22	8.09
2,400	9.16	8.15
2,880	9.08	8.08
3,360	8.93	7.97
3,840	8.80	7.84
4,320	8.71	7.75
4,800	8.61	7.51
5,280	8.47	7.48
5,760	8.40	7.50
6,240	7.96	7.45
6,720	6.39	7.42
7,200	-	7.25
7,680	-	7.15
수명 판정	6,472	7,440

수명시험은 만충전 상태에서 25A로 4분간 방전시킨 후, 10분 14.8V 최대 25A로 충전하는 과정을 1주 480회 반복하고, 그 후 56시간 정치후, 저온시동성능 전류치로 고율 방전하여 30초 전압을 측정하므로써 판정하였다. 이 시험에서 30초 전압이 7.2V 이상이면 다시 1주 반복하고, 7.2V 이하이면 수명종지로 판정하였다.

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 전해액 조성물을 사용한 납축전지(실시예)는 충방전 7,440회에서 수명종지되어, 충방전 6,472회에서 수명종지된 종래의 전해액을 사용한 납축전지(비교예)에 비해서 약 15%의 수명 연장 효과를 나타내었다.

도 1은 납축전지의 방전중 변화를 나타낸 도면이다.

Claims (2)

1. 황산과 물로 이루어진 납축전지용 전해액 1리터당 황산나트륨 10~30g을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 납축전지용 전해액 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 황산과 물로 이루어진 전해액은 황산 30~40중량%와 물 60~70중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 납축전지용 전해액 조성물.

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